從人物到細(xì)節(jié) 引力波背后最完整的內(nèi)幕故事

2016-02-17 13:57:45 來(lái)源：百度百家

　　黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波向四周傳播，旅途中隨著距離衰減。在地球上，恐龍崛起，演化，消亡。引力波繼續(xù)前進(jìn)，大概五萬(wàn)年前，引力波到達(dá)了我們的銀河系，正當(dāng)智人開(kāi)始取代其近親尼安德特人開(kāi)始成為地球上最主要的人猿。100年前，愛(ài)因斯坦，靈長(zhǎng)類物種中進(jìn)化的最先進(jìn)的人類的一員，預(yù)言了引力波的存在，激發(fā)了數(shù)十年的猜測(cè)和無(wú)果的尋找。20年前，一個(gè)巨大的探測(cè)器開(kāi)始建設(shè)：the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)。終于，在2015年的9月14號(hào)，在中午11點(diǎn)(中歐時(shí)間)前，引力波到達(dá)了地球。Marco Drago，一位32歲的意大利籍博士后學(xué)生，全球LIGO科學(xué)合作組織的成員，成為第一個(gè)注意到它們的人。Marco當(dāng)時(shí)坐在位于德國(guó)Hannover阿爾伯特 愛(ài)因斯坦研究所他自己的電腦前，遠(yuǎn)程觀看LIGO的數(shù)據(jù)。引力波出現(xiàn)在他的屏幕上，就像一個(gè)被壓縮了的曲線，不過(guò)LIGO裝置著全宇宙最精致的耳朵，可以聽(tīng)到千億分之一英尺的振動(dòng)，應(yīng)該仿佛聽(tīng)到了被天文學(xué)家稱為「蛐蛐叫」的聲音 —— 一聲微弱的由低到高的呼叫。一年之后，在華府的新聞發(fā)布會(huì)上，LIGO團(tuán)隊(duì)正式宣布那個(gè)信號(hào)即為歷史上第一個(gè)直接觀測(cè)到的引力波。

　　當(dāng)Drago看到信號(hào)時(shí)，他驚呆了?！府?dāng)時(shí)很難決定該做什么，」他后來(lái)告訴我。他通知了一個(gè)同事，同事冷靜的通知了位于Livingston，路易斯安那州的LIGO控制中心。消息開(kāi)始在上千個(gè)參與這個(gè)項(xiàng)目的科學(xué)家中傳播開(kāi)來(lái)。在加州，David Reitze，LIGO實(shí)驗(yàn)室的執(zhí)行總監(jiān)，剛送走了女兒去學(xué)校，來(lái)到了他的加州理工辦公室，馬上就被各種消息淹沒(méi)了。「我不記得當(dāng)時(shí)具體說(shuō)了什么了，」他告訴我說(shuō)?！复笾碌姆磻?yīng)是，『天哪，這是個(gè)什么東西?』」。Vicky Kalogera，西北大學(xué)的物理與天文學(xué)教授，當(dāng)時(shí)開(kāi)了一天的會(huì)，直到晚餐時(shí)才聽(tīng)到消息?！肝依瞎?qǐng)我把餐桌布置好，」她說(shuō)，「可是我完全不理他，只顧著瀏覽一大堆古怪的電子郵件并自問(wèn)，到底發(fā)生了什么事?」Rainer Weiss，已經(jīng)83歲高齡物理學(xué)家，是早在1972年LIGO項(xiàng)目的最初提出者，當(dāng)時(shí)正在緬因州度假。他登陸到系統(tǒng)上，看到了信號(hào)，然后大叫道：「我的上帝啊!」，音量如此大驚的他的妻子和成年兒子跑過(guò)來(lái)看他。

　　合作研究人員立即開(kāi)始了非常細(xì)致繁重的兩遍，三遍，四遍的數(shù)據(jù)確認(rèn)?！肝覀冋f(shuō)我們做了約質(zhì)子直徑千分之一大小的尺度的測(cè)量，向我們講述著兩個(gè)黑洞在10億年前的合并，」Reitze說(shuō)道。「這可是一個(gè)非同尋常的宣布，需要非同尋常的證據(jù)支撐?！古c此同時(shí)，LIGO科學(xué)家們被要求宣誓保守秘密。隨著這一發(fā)現(xiàn)的傳言散布開(kāi)來(lái)，從9月份末持續(xù)到最近一個(gè)星期，媒體的激動(dòng)進(jìn)入了尖峰狀態(tài);也開(kāi)始有關(guān)于諾貝爾獎(jiǎng)的議論。不過(guò)所有的合作者給外界任何詢問(wèn)這件事的任何人一個(gè)統(tǒng)一的簡(jiǎn)單的答復(fù)——他們?nèi)匀辉诜治鰯?shù)據(jù)，還沒(méi)到發(fā)表結(jié)果的時(shí)候。Kalogera甚至連自己的丈夫都沒(méi)告訴。

　　LIGO由兩個(gè)設(shè)施組成，相隔1900英里——大約坐飛機(jī)需要3個(gè)半小時(shí)，不過(guò)對(duì)于引力波只需要萬(wàn)分之一秒就能到達(dá)。位于路易斯安那的探測(cè)器，位于Baton Rouge東部的濕地，周圍環(huán)繞著商業(yè)松樹(shù)林;另一個(gè)位于華盛頓州的探測(cè)器，在全美核廢料數(shù)量最多的核設(shè)施的西南部，位于沙漠灌木蒿，風(fēng)滾草，和廢棄的核反應(yīng)堆之間。在每一處設(shè)施，都有兩個(gè)12英尺高的互成直角的混凝土管道伸向遠(yuǎn)方，從高空看上去像是木工的矩一樣。管道是如此之長(zhǎng)，將近2.5英里，他們需要在尾端從地面升起近1碼，來(lái)確保管道自身的直線性，與地球表面自身的彎曲分離。

　　LIGO是更廣泛的找尋愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論難以測(cè)量的效應(yīng)的工作的一部分。這一理論，簡(jiǎn)單的說(shuō)，聲稱時(shí)間和空間會(huì)在質(zhì)量面前被彎曲，時(shí)空彎曲的效應(yīng)就是我們?nèi)粘８惺艿囊Α．?dāng)兩個(gè)黑洞彼此圍繞，它們把周圍的時(shí)空伸展和壓縮，就像孩子們?cè)诒拇采吓軄?lái)跑去，生成可以傳播到周邊的振動(dòng);這些振動(dòng)就是引力波。引力波經(jīng)常路過(guò)我們身邊，來(lái)自宇宙中各種源頭，但是引力是比所有其他基本自然作用中更微弱的——電磁作用，比方說(shuō)，也就是束縛原子的作用——以致于我們幾乎從來(lái)感覺(jué)不到它們。愛(ài)因斯坦曾認(rèn)為引力波可能永遠(yuǎn)都不會(huì)被探測(cè)到。他甚至兩次宣布引力波不存在，然后一次再一次的修正他自己的預(yù)測(cè)。當(dāng)時(shí)一個(gè)懷疑者曾經(jīng)評(píng)論說(shuō)引力波好像是靠著「思維的速度在傳遞」。

　　從理論提出開(kāi)始，過(guò)了50年才有人開(kāi)始建造可以檢測(cè)引力波的設(shè)備。第一個(gè)嘗試這么做的人是一位馬里蘭大學(xué)的工程學(xué)教授，名叫Joe Weber。他把自己的設(shè)備命名為「諧振條天線」。Weber相信鋁制的圓柱體可以被當(dāng)作鈴鐺，放大微弱的引力波。當(dāng)引力波撞到圓柱體，圓柱體會(huì)輕微的振動(dòng)，圓珠周圍的傳感器會(huì)把這種振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。為了確保他測(cè)量到的不是周圍經(jīng)過(guò)的卡車或者輕微地震的振動(dòng)，Weber發(fā)明了一些保護(hù)措施：他將他的條懸置在真空中，他使用了兩個(gè)諧振條，位于不同的地點(diǎn)，一個(gè)在馬里蘭大學(xué)的校園，另一個(gè)在芝加哥附近的Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。如果兩個(gè)諧振條在微小時(shí)間間隔中產(chǎn)生同樣的振動(dòng)，他認(rèn)為就是可能是引力波造成的。

　　1969年6月份，Weber 宣布了他的諧振條記錄了引力波事件。物理學(xué)家和媒體都很激動(dòng)，《紐約時(shí)報(bào)》這樣報(bào)道：「人類對(duì)宇宙的觀測(cè)又一新篇章被翻開(kāi)了?！购芸欤琖eber 開(kāi)始報(bào)道每日都有信號(hào)記錄。 不過(guò)其他的實(shí)驗(yàn)室都沒(méi)有產(chǎn)生與他的結(jié)果類似的觀察，對(duì)他的懷疑開(kāi)始擴(kuò)散。到了1974年，很多人都下結(jié)論Weber的結(jié)果有錯(cuò)誤。(Weber持續(xù)宣稱有新的探測(cè)結(jié)果，直到他2000年去世為止。)

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